水化产物转化对蒸压制品强度的影响

水化产物转化对蒸压制品强度的影响

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张红兵，朱淳钊

（1.荆州市建筑节能与装饰装修管理办公室，湖北荆州434020；

2.长江大学城市建设学院，湖北荆州434023）

摘

要：通过X射线衍射、红外光谱手段分析了粉煤

灰石灰蒸压系统中水化产物的变化与实验强度的关系。结

果显示，在1.2MPa饱和蒸汽压下处理不同时间，水石榴石的0.505nm衍射峰减弱，CSH的0.183nm衍射峰有所增强。在不同饱和蒸汽压下处理6h，水石榴石的0.505nm衍射峰在0.6MPa前出现增强，随着饱和蒸汽压的增大开始逐渐减弱，C－S－H的0.183nm衍射峰逐渐增强。随着水石榴石不断减少和水化硅酸钙的增加，蒸压试样强度的提高。

关键词：蒸压条件;水榴石;水化硅酸钙;强度中图分类号：TQ170.1文献标志码：B文章编号：1672－4011（2013）03－0013－03

0前言

水榴石是蒸压制品中一种常见的水化产物，可以在很宽的温度范围内获得。Taylor认为，水榴石的存在导致制品强度低

［1－2］

。在水榴石形成量不大的前提下，对提高蒸压

制品的密实度有利，可以获得较高的制品强度。若水榴石的大量形成，由于水榴石的胶结能力极差，其制品强度下降。在蒸压硅酸盐制品中，水榴石并不是在所有条件下都能够稳定存在，随着硅溶出量增多，高碱性环境被破坏，水榴石开始转化为新的物相—

——含Al的水化硅酸钙［5－8］。S.Klimesch等人提出了水榴石向托贝莫莱石转化的证据

［5－7］

：随着水热反应的进行，水榴石量明显减少，而Al

代托贝莫莱石的增加［2－7］

。Al的MASNMR数据显示八面体Al（水榴石）调整到四面体的化合物中（Al代1.1nm托贝

莫莱石）和八面体的配位Al（水榴石）［6］

。文献［

9－10］认为，水榴石在水热反应中优先转化为C－S－H，而不是Al

代托贝莫莱石。本文用一种不常见的粉煤灰作为蒸压材料，讨论水榴石转化为水化硅酸钙后对蒸压制品强度的影响。

1

实验方法与原材料

1.1

原材料

粉煤灰。该粉煤灰的主要矿物为刚玉（Corundum，α）、莫来石、赤铁矿和少量玻璃相出现，没有发现普通粉煤灰中常见的石英衍射峰，见图1所示。

熟石灰。石灰中有效CaO为49.48wt%，主要为氢氧化钙及少量碳酸钙。

作者简介：张红兵(1967－)，男，湖北江陵人，高级工程师，现从事建筑节能、墙体材料方面的管理与研究。

1.2

实验方法

将成型好的每组试件放入蒸压釜中，按照一定的蒸压制度进行蒸压处理。不同蒸压时间的蒸压制度升温－恒温－降温时间（小时，h）：2－X－2，X为最高温度下恒温养护时间（h）。不同饱和蒸汽压的蒸压制度为：2h－6h－2h。扫描电镜分析采用PhilipsXL30ESEM型扫描电镜仪，样品进行抽真空和喷金处理。采用D/max－IIIA型全自动X射线衍射仪。试块样品磨细至全部通过0.08mm方孔筛。

图1

粉煤灰的XRD

2实验结果与分析

将粉煤灰（比表面积为380kg/m2

）和其磨细粉煤灰（比

表面积为430kg/m2

）分别与石灰按一定比例混和（石灰粉煤

灰质量比1∶5）后在不同蒸压条件下蒸压处理后进行X射线衍射分析，结果如2所示。

a．粉煤灰b．磨细粉煤灰

图2

不同蒸压时间粉煤灰试样的X射线衍射图

图2中0.505nm水石榴石衍射峰和0.183nmC－S－H凝胶衍射峰的CPS之和如图3所示。图4为不同蒸压时间粉煤灰试样的活性CaO消耗情况。可以明显发现，无论粉煤灰（FA）是否磨细（GFA），其蒸压试样中水榴石在1.2MPa饱和蒸气压下处理1h后已经大量形成。经过2h处理后，水石榴石0.505nm衍射峰开始减弱，而0.183nmC－S－H凝胶衍射峰随着蒸压时间的延长而增加。

·14·2013年6月SichuanBuildingMaterials%%%%%%2013年第3期第39卷总第173期图3不同蒸压时间下水化产物的变化情况

图4不同蒸压时间粉煤灰试样的活性CaO消耗情况

图4可知，蒸压处理2h后，有效氧化钙基本消耗殆尽，蒸压系统处于低碱度状态，水石榴石在这一条件下不稳定，开始出现分解（如图5），并进入C－S－H结构内形成Al代C－S－H。这是图3中0.505nm衍射峰减弱、0.183nm衍射峰有所增强的原因。图6为蒸压试样在1.2MPa饱和蒸气压下不同处理时间的强度值。图6表明，蒸压试样的强度与水石榴石转化为Al代C－S－H并没有直接关系。也就是说，随着水石榴石转化为Al代C－S－H，蒸压试样的强度并没有提高，反而有所下降。

图5水石榴石的转化图6不同蒸压时间的试样强度

图7为蒸压粉煤灰试样在不同饱和蒸汽压下蒸压处理6h的XRD。图7中0.505nm水石榴石衍射峰和0.183nmC－S－H凝胶衍射峰的CPS之和如图7所示。

a．粉煤灰b．磨细粉煤灰

图7

不同饱和蒸汽压粉煤灰试样的X射线衍射图

图8（a）显示，在饱和蒸汽压0.6MPa恒温蒸压6h，蒸压试样中水石榴石0.505衍射峰开始下降，这与有效CaO的大量消耗有关。图8（b）中的C－S－H0.183nm衍射峰一

直处于缓慢增长状态。这一结果表明，水石榴石及时在较

低饱和蒸汽压下也会出现分解，并形成Al代C－S－H。图9为不同饱和蒸汽压下蒸压6h粉煤灰试样的强度。随着饱和蒸汽压的提高，蒸压试样的强度明显提高。比较C－S－H的提高，强度提高的幅度更为明显。

图8不同饱和蒸汽压水化产物的变化情况

图9

不同饱和蒸汽压下蒸压试样的强度

基于以上分析可知：①在1.2MPa饱和蒸汽压下，由

于蒸压系统中Ca2+

不足，蒸压处理2h，试样中水石榴石开始出现分解，形成Al代C－S－H。蒸压试样的强度变化与水石榴石0.505nm衍射峰和CSH的0.183nm衍射峰变化规律并不相同。水石榴石转化为Al代C－S－H后对蒸压试样强度的提高有一定贡献，但随着水化产物转化进一步进行，强度贡献减弱；②在0.6MPa饱和蒸汽压下处理6h，蒸压系统表现为低碱度，试样中水石榴石开始出现分解，形成Al代C－S－H。蒸压试样的强度变化与水石榴石0.505nm衍射峰和CSH的0.183nm衍射峰变化规律并不

相同。水石榴石的不断减少和水化硅酸钙的增加，导致蒸压试样强度的提高。

3结论

在1.2MPa饱和蒸汽压下处理不同时间，水石榴石的0.505nm衍射峰减弱，CSH的0.183nm衍射峰增强。在不同饱和蒸汽压下处理6h，水石榴石的0.505nm衍射峰在0.6MPa前出现增强，随着饱和蒸汽压的最大开始逐渐减弱，C－S－H的0.183nm衍射峰逐渐增强。

随着水石榴石不断减少和水化硅酸钙的增加，蒸压试样强度提高。

［ID：000062］

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（下转第16页）

［［·16·2013年6月SichuanBuildingMaterials2.3

自愈合和环保性

%%%%%%2013年第3期第39卷总第173期混凝土基本相当，但极限拉应变接近普通混凝土或传统

FRC的500倍，表现出极大的韧性性质。ECC超高的拉应变能力对应于试件上的多条细密裂缝，在从开裂至峰值荷载整个过程中，拉应力－应变曲线呈现明显的应变硬化特征，随着荷载的增长，在拥有最大初始缺陷尺寸截而上的基体首先开始出现裂缝，此时ECC中的纤维能够提供足够

模式（即分形理论的桥联应力，基体中的裂缝以“自相似”

模式）扩展，在裂缝扩展过程中，裂缝尖端的应力场和变形场保持不变，直至裂缝贯通整个截面。当第一条裂缝出现后，对应试件的承载能力经历瞬间下降后马上恢复，裂缝宽度很快稳定在一个很细的水平上（和第一条裂缝的宽度大

如此重复多次，试件上最终呈现大体均匀分布的体相同），

多条细密裂缝，每条裂缝的宽度大体接近，即使是在极限荷载时（应变为5%），裂缝宽度保持在60μm左右，当应变小于1%时，裂缝宽度更小。这种细密的微裂缝宽度是由材料自身性质决定的，它与这种复合材料是否配钢筋以及配筋率大小无关。

2.2抗剪性能与能量吸收

1998年Kanda等对ECC进行抗剪性能测试，结果发现剪跨比为1时，在不配任何抗剪钢筋的情况下，ECC梁的抗剪承载力比混凝土梁高出42.67，对应变形能力高出2.25倍，破坏模式具有明显的延性特征。2003年Vasillaq等发现ECC板在剪切作用下从未裂到开裂是个渐进的过程，不会出现刚度的突然下降，而在常规混凝土会产生非常典型的脆性破坏特征。Gregor等对钢筋混凝土（R/C）和钢筋－ECC（R/ECC）梁构件进行的抗剪周期循环试验表明，R/ECC剪切破坏时出现大量的细微斜裂缝，类似于延性破坏，抗剪韧性大大优于R/C。

在抗震结构中，塑性铰区的能量吸收是耗散地震能的主要途径，但是在周围脆性混凝土的包裹下，只有极小部分的钢筋能经历屈服阶段。然而，即使取消抗剪箍筋，当延性比达到10%时，ECC悬臂梁构件试验中仍未出现保护层剥落或爆裂现象，其滞回环形状饱满，具有较强的能量吸收能力，这对于抗震结构设计具有重要意义。Fukuyama在2003年介绍了由ECC短柱和扩大头组成的响应控制装置。它可以减少建筑结构的地震位移和减小构件损坏。ECC短柱可以实现高韧性、高刚度和高强度；扩大头可以调整响应控制装置的影响范围，同时保证控制装置和框架的连接。由于同为水泥基材料，它们比钢框架和阻尼器更适合混凝土结构的地震响应控制。（上接第14页）

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人们很早就知道有的混凝土具有裂缝自愈合的能力，

一些服役年限很长的混凝土暴露在外部环境下，其裂缝会缩小甚至消失。一般认为，混凝土自愈合的内因是其内部还有部分未发生水化作用的水泥基体，外因则与其暴露的外界环境条件有关，包括干湿的循环，温度条件，水的渗透和混凝土中氯化物的含量等；另外，裂缝的宽度不能大于150，最好是50。美国Michgan的En－HuaYang博士在对ECC构件的耐久性研究中发现其较强的自愈合能力。自愈合能力提高了ECC在变化环境下的耐久性。

ECC具有良好的环保性能。粉煤灰是煤燃烧后的产物，它对空气的污染严重，全世界每年会产生超过6亿t的粉煤灰，它们的处理是一个令人头疼的问题，在近年的研究发现，和火山灰、硅粉一样，他可以替代一部分水泥，从而减少建筑材料中水泥的用量。一般而言，粉煤灰至少可以替代10～25%的水泥，火山灰本身并不能直接和水发生化学作用，但在石灰石的作用下，水化反应可以发生，并放出极少的热量。En－HuaYang博士做了掺有粉煤灰的ECC材性试验，发现随着粉煤灰掺量的增加，ECC的抗压强度总体呈减少的趋势，但是只要粉煤灰/水泥不大于2.8时，ECC仍保持了较高的抗压状态。粉煤灰的掺量对ECC拉应变的影响较小，不同掺量的ECC都表现出了应变硬化的现象。

3结束语

随着结构技术的革新和结构需要的增加，传统的工程材料已无法满足日新月异的工程建设的需要，而ECC材料的出现及应用必将为未来建筑的发展注入新的生机与活力。在农业、工业、军事等领域，ECC材料的使用必将越来越

ID：000061］普遍。因此，发展ECC材料技术任重道远。［

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